В 1977 году зонд Voyager 1 стал первым созданным человеком объектом, покинувшим Солнечную систему. Однако при нынешних скоростях ему потребовалось бы более 70 000 лет, чтобы достичь Альфы Центавра, ближайшей к звёздной системы. Новая технология, основанная на использовании световых парусов, может значительно ускорить процесс межзвёздных путешествий.
Световой парус — это большая отражающая поверхность, развёрнутая перед космическим кораблём, которая использует солнечный свет или свет от лазера для движения корабля. Теоретически это может позволить достичь скорости в 10%–20% от скорости света, что сделает возможным достижение Альфы Центавра в течение 20-30 лет.
Однако создание материалов, которые одновременно являются отражающими и достаточно лёгкими, чтобы сделать это возможным, было серьёзной задачей. Исследователи из Делфтского университета в Нидерландах и Брауновского университета в США использовали технологию ИИ под названием «нейронная топологическая оптимизация», чтобы создать лист нитрида кремния толщиной в нанометр, который может воплотить эту идею в жизнь.
«Для этой миссии необходимы материалы для светового паруса, которые бросают вызов основам нанотехнологий, требуя инноваций в оптике, материаловедении и структурной инженерии», — пишет команда в препринте, опубликованном на arXiv.
Метод исследователей был вдохновлён проектом Breakthrough Starshot, запущенным Breakthrough Initiatives в 2016 году. Starshot стремится спроектировать флот из примерно 1000 крошечных космических аппаратов, которые будут использовать световые паруса и наземный лазер, чтобы достичь Альфа Центавра в течение 20-30 лет. Зонды будут нести камеры и другие датчики для отправки данных по прибытии.
Чтобы достичь требуемых скоростей, космический аппарат должен быть невероятно лёгким — сами зонды будут всего в сантиметрах в поперечнике и весить несколько граммов. Но чтобы собрать достаточно света, паруса должны иметь площадь около 100 квадратных футов (9,29 квадратных метра), поэтому необходимы новые сверхлёгкие материалы, чтобы снизить их вес.
Исследователи использовали подход, основанный на создании оптических наноструктур, называемых «фотонными кристаллами», состоящих из повторяющейся сетки крошечных отверстий. Пробивание миллионов или миллиардов таких отверстий в материале значительно снижает его вес, но эти повторяющиеся структуры также создают необычные оптические эффекты, которые могут повысить отражательную способность материала.
Команда объединила нейронную сеть с более традиционной программой вычислительной физики, чтобы найти наиболее оптимальную конфигурацию и форму отверстий для минимизации массы и повышения отражательной способности. В результате получилась решётка из отверстий в форме бобов толщиной менее 200 нанометров.
Источник: L. Norder, et al via arXiv
Используя литографию потока, в которой лазер использует невероятно подробный трафарет для создания отверстий в пластине из нитрида кремния, команда создала образец площадью 5,5 квадратных дюймов (35,53 квадратных сантиметра), который весит всего несколько микрограммов. Исследователи считают, что этот подход можно легко масштабировать, и прогнозируют, что создание полноразмерного паруса займет около дня и будет стоить около $2700.
Стефания Сольдини из Ливерпульского университета отметила, что для успешной реализации миссии Breakthrough Starshot предстоит решить ещё множество инженерных задач, но решающее значение будет иметь дешёвый и быстрый способ производства световых парусов.
NASA также активно занимается этим подходом. На прошлой неделе агентство объявило, что программа миссии Advanced Composite Solar Sail System, запущенная в начале этого года, близка к тому, чтобы впервые поднять паруса. Если эти проекты окажутся успешными, то, возможно, уже через несколько жизней мы впервые сможем увидеть крупным планом Вселенную за пределами Солнечной системы.